潘　葉,張　燕

(1.南京大學(xué) 金陵學(xué)院/城市與資源學(xué)院，江蘇 南京210089；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210023)

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)研究

——以南京幕府山為例

潘葉1,張燕2

(1.南京大學(xué) 金陵學(xué)院/城市與資源學(xué)院，江蘇 南京210089；2.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210023)

[關(guān)鍵詞]生態(tài)修復(fù)效益；綜合評(píng)價(jià)；TOPSIS法；礦山廢棄地；南京幕府山

[摘要]在對(duì)南京幕府山礦山廢棄地不同生態(tài)修復(fù)區(qū)調(diào)查采樣與測(cè)定的基礎(chǔ)上，建立生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再逐層用TOPSIS法綜合、定量評(píng)價(jià)各生態(tài)修復(fù)區(qū)的生態(tài)修復(fù)效益。結(jié)果表明：TOPSIS法可定量評(píng)價(jià)每一期生態(tài)修復(fù)區(qū)各層的生態(tài)效益，且有助于找出生態(tài)效益存在差異的原因；生態(tài)修復(fù)顯著改善了礦山廢棄地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；10期生態(tài)修復(fù)工程的生態(tài)修復(fù)效益綜合評(píng)價(jià)值存在差異的主要原因是地形地貌、修復(fù)時(shí)間、土壤類型、植物種類與植物組合、后期對(duì)修復(fù)植被的撫育管護(hù)等有差異。

目前，我國針對(duì)生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)的研究主要集中在植被恢復(fù)及退耕還林、水域與濕地、喀斯特石漠化、水土保持等方面[1-5]，且評(píng)價(jià)主要針對(duì)影響生態(tài)環(huán)境的某一方面，全面系統(tǒng)地對(duì)礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究少見報(bào)道。已有研究采用的評(píng)價(jià)方法有綜合指數(shù)法、模糊評(píng)判法、層次分析法、專家分析法、灰色系統(tǒng)與系統(tǒng)工程分析法等[1-7]，但由于在構(gòu)建生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)較為主觀，多使用定性指標(biāo)，評(píng)價(jià)偏重于某一要素，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源不統(tǒng)一，所以難以客觀、全面、準(zhǔn)確地反映生態(tài)修復(fù)實(shí)際狀況，缺少對(duì)生態(tài)修復(fù)后續(xù)工作的指導(dǎo)作用。

幕府山位于南京市主城區(qū)北部長江之濱，沿長江南岸呈帶狀分布，蘊(yùn)藏著豐富、優(yōu)質(zhì)的石灰?guī)r層和白云巖層，50多年大規(guī)模無序開采，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。1998—2001年南京市政府關(guān)停了全部9個(gè)采石場與4個(gè)垃圾場[8]，實(shí)施了10期和2個(gè)專項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程，將滿目瘡痍的礦場修復(fù)成了景色秀美的風(fēng)景名勝區(qū)。然而，生態(tài)修復(fù)仍停留在技術(shù)修復(fù)階段，既缺乏對(duì)修復(fù)廢棄地的生態(tài)監(jiān)測(cè)與修復(fù)效益的評(píng)估，又缺乏對(duì)修復(fù)后的廢棄地的后續(xù)管理研究。為提高礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)的精確性和科學(xué)性，本研究選用影響幕府山生態(tài)修復(fù)不同方面的指標(biāo)，構(gòu)建生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，用加權(quán)TOPSIS法，逐層綜合評(píng)判各生態(tài)修復(fù)區(qū)的生態(tài)修復(fù)效益，為優(yōu)化與提升生態(tài)功能與植被撫育管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為類似的廢棄地生態(tài)修復(fù)提供參考。

1材料與方法

1.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

依據(jù)全面性、可測(cè)性與動(dòng)態(tài)性原則，構(gòu)建了礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1　南京幕府山生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

注：帶“*”的為逆指標(biāo)，帶“#”的為適度指標(biāo)，其余均為正指標(biāo)。

1.2評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的獲取

幕府山礦山廢棄地于1999—2008年實(shí)施了10期及2個(gè)專項(xiàng)生態(tài)修復(fù)工程，各期的地理位置與覆蓋的土壤類型與修復(fù)措施不相同。根據(jù)自然狀況及修復(fù)工程時(shí)序，以現(xiàn)場踏勘為基礎(chǔ)，在每期生態(tài)修復(fù)區(qū)中選1個(gè)典型區(qū)域布設(shè)采樣點(diǎn)，作為評(píng)價(jià)樣本；現(xiàn)場測(cè)定林地內(nèi)外溫度差與濕度差；調(diào)查、測(cè)量與統(tǒng)計(jì)植被生長情況、土層厚度；采集土壤與枯落物樣本，測(cè)定枯落物蓄積量與有效蓄水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、容重、孔隙度、pH值及土壤重金屬含量；根據(jù)生物量及文獻(xiàn)[9]測(cè)定的參數(shù)，估算林木生物量、貯碳量、固碳量、釋氧量、吸收SO2量、滯塵量，根據(jù)土壤測(cè)定數(shù)據(jù)(容重、總孔隙度、pH值、有機(jī)質(zhì))，計(jì)算非毛管孔隙度與毛管孔隙度比、土壤重金屬污染綜合指數(shù)、土壤有效持水量、土壤有機(jī)質(zhì)蓄積量等，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了評(píng)價(jià)生態(tài)修復(fù)效益的原始數(shù)據(jù)。

1.3評(píng)價(jià)方法簡介

TOPSIS法是多目標(biāo)分析方法，采用與最優(yōu)樣本和最劣樣本比較的相對(duì)距離來評(píng)價(jià)樣本的優(yōu)劣。本研究以試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，用加權(quán)TOPSIS法，評(píng)價(jià)幕府山礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)綜合效益。具體評(píng)價(jià)步驟參見文獻(xiàn)[10]，其中權(quán)重由變異系數(shù)法確定。

2結(jié)果與討論

2.1礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)及修復(fù)工程情況

南京幕府山礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)時(shí)序及修復(fù)工程的基本情況見表2。生態(tài)修復(fù)前，生態(tài)修復(fù)區(qū)地表裸露，土壤層缺失，地形陡峭，邊坡不穩(wěn)定，幾乎沒有植被。

表2　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)基本情況

2.2生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)

生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)是一個(gè)多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，通過由下而上的逐層綜合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)，即對(duì)多個(gè)指標(biāo)的綜合得到相應(yīng)子準(zhǔn)則層綜合評(píng)價(jià)，對(duì)子準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合得到準(zhǔn)則層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，再對(duì)準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合便得到生態(tài)修復(fù)綜合效益。

2.2.1植被生長狀況

生態(tài)修復(fù)使礦山廢棄地形成大片植被，生物量總計(jì)約56.53萬t。就植被生長狀況來看，評(píng)價(jià)結(jié)果呈遞減的趨勢(shì)，即1期最高、10期最低(圖1)，表明植被恢復(fù)需要時(shí)間，修復(fù)越早的區(qū)域，林木郁閉度越高，林木密度越合理，植被生長狀況越好。2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)是采礦遺留的陡崖與裸崖，修復(fù)區(qū)陡峭與風(fēng)化物松散，修復(fù)覆蓋的土壤易流失，不穩(wěn)定的風(fēng)化物滑落導(dǎo)致修復(fù)植被的長勢(shì)較差甚至死亡。

2.2.2生物積蓄與貯碳能力

由圖1可知，不同修復(fù)區(qū)的生物積蓄和貯碳能力上下波動(dòng)，說明生物積蓄與貯碳能力的恢復(fù)需要的時(shí)間比較長，影響因素之間相互聯(lián)系和制約，很難在短期內(nèi)看出效果。2期低，是因?yàn)樯鷳B(tài)修復(fù)初期經(jīng)驗(yàn)不足，種植的林木密度過高，植被大量無序繁殖，植株的生長空間變小，土壤養(yǎng)分供給不足，植被生長受到抑制；2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)生物積蓄和貯碳能力低，是由于修復(fù)區(qū)的地貌不利于生態(tài)修復(fù)。

圖1　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)林木層功能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.3調(diào)節(jié)小氣候能力

由圖2可知，生態(tài)修復(fù)工程具有降低林中溫度、增加林中濕度的功能，但因樹種不同，林地內(nèi)外溫度差與濕度差存在差異。3期和9期調(diào)節(jié)小氣候能力低的原因是種植的植物缺少茂密低矮的地被層，而2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)調(diào)節(jié)小氣候能力低是因?yàn)槭艿匦蜗拗?，生態(tài)修復(fù)種植的主要是灌木。

圖2　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)調(diào)節(jié)氣體功能的評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.4固碳釋氧能力

據(jù)測(cè)算，幕府山10期生態(tài)修復(fù)工程林木總計(jì)貯存了6.93萬t碳，固定了11.08萬t的CO2，并釋放了8.31萬t O2。由圖2可知，各修復(fù)區(qū)的固碳釋氧能力的評(píng)價(jià)結(jié)果與生物蓄積與貯碳能力相似。

2.2.5優(yōu)化空氣質(zhì)量

衡量生態(tài)修復(fù)優(yōu)化空氣質(zhì)量的指標(biāo)是滯塵量和吸收SO2量。由圖2可知，各修復(fù)區(qū)植被優(yōu)化空氣質(zhì)量的能力存在差異，原因主要是不同類型植物(常綠喬木、落葉喬木、灌木、草)滯塵與吸收SO2的能力不同，如粗糙的葉面有利于滯留與附著塵土；植物密度不同，枝繁葉茂的林相結(jié)構(gòu)可增加阻滯與吸收有害物質(zhì)的面積；群落構(gòu)成不同，喬、灌、草構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)可形成多層次阻滯塵土的網(wǎng)絡(luò)[11]，如1期與7期植被優(yōu)化空氣質(zhì)量的能力低是因?yàn)槠浞N植的主要是喬木與少量的灌木，尤其是1期植物密度相對(duì)低，5期與10期相對(duì)高是因?yàn)榫哂卸鄬尤郝浣Y(jié)構(gòu)，2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)相對(duì)較高是因?yàn)榉N植的灌木枝葉較茂密。

2.2.6枯落物蓄積狀況及蓄水能力

幕府山修復(fù)區(qū)枯落物蓄積量見表3。枯落物的蓄積量與種植的植物種類、枯枝落葉的性質(zhì)和林分密度等有關(guān)[12]。若植被是常綠植物，則蓄積量相對(duì)低，若是落葉闊葉林、針葉林，則蓄積量相對(duì)高；同時(shí)枯落物分解的速度和程度也影響著枯落物的蓄積量[13]；因修復(fù)物種中常綠樹種占劣勢(shì)，早期(1～4期)修復(fù)區(qū)與2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)枯落物蓄積量低；因種植了大量落葉樹種，中期(5～7期)修復(fù)區(qū)枯落物蓄積量相對(duì)高；因種植過密，植物生長受限，晚期(8～10期)修復(fù)區(qū)枯落物蓄積量低?？萋湮镄钏阅苋Q于枯落物的種類、干燥程度[14]?？萋湮锏目紫抖却蟆⒏稍锍潭雀?，則其蓄水量就高。由表3可知，修復(fù)區(qū)的枯落物蓄水能力與枯落物蓄積量基本一致。

表3　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)枯落物蓄積狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.7土壤質(zhì)量

土壤質(zhì)量包括土層厚度、容重、總孔隙度、非毛管孔隙度與毛管孔隙度比、pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤重金屬污染綜合指數(shù)。其中，土壤容重、總孔隙度、非毛管孔隙度與毛管孔隙度比和pH值這4個(gè)指標(biāo)為適度指標(biāo)，結(jié)構(gòu)良好、水氣協(xié)調(diào)的土壤容重在1.25～1.35 g/cm3之間[15]，總孔隙度在40%～50%之間，非毛管孔隙度大于10%，且非毛管孔隙度與毛管孔隙度比例在1∶2～1∶4之間[16]。

幕府山生態(tài)修復(fù)采用客土覆蓋法治理礦山廢棄地(采礦區(qū)與堆渣區(qū))，覆蓋土壤主要是建筑棄土與建筑垃圾、玄武湖隧道建設(shè)施工棄土與湖底清淤產(chǎn)生的淤泥，修復(fù)區(qū)平均增厚土層約1.3 m，最厚的覆土達(dá)7 m[17]。生態(tài)修復(fù)前，采礦廢棄地幾乎沒有土壤層，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，最低僅2.46 g/kg，最高不過4.13 g/kg[18]。生態(tài)修復(fù)有效提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)，為植物生長提供了良好的基礎(chǔ)。

生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見圖3。由圖3可知，生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量變異不大。產(chǎn)生差異的主要原因在于覆土的質(zhì)量，4～6期修復(fù)區(qū)采用的是玄武湖隧道建設(shè)棄土與湖底清淤產(chǎn)生的淤泥及少量建筑棄土(黃土)，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)高些，且植被生長較好，枯落物蓄積量相對(duì)高，這些修復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量相對(duì)高；而其他修復(fù)區(qū)采用建筑棄土與建筑垃圾，土壤有機(jī)質(zhì)含量低，土壤質(zhì)量相對(duì)差。

圖3　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤層功能的評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.8土壤水肥蓄積能力

生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤水肥蓄積能力與土壤的厚度和孔隙度有關(guān)，主要取決于覆土層厚度，其次是非毛管孔隙度大小，還與種植的植物種類有關(guān)。幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤有效持水量從大到小的排列順序?yàn)椋郝淙~林>常綠林>草地>灌木林，且混交林有效持水量最大。生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤水肥蓄積能力見圖3。因修復(fù)模式不同，早期修復(fù)區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)高；隨時(shí)間增加，枯落物的蓄積與分解及地下根系的生長發(fā)育，早期修復(fù)區(qū)土壤的容重相對(duì)低，加上自然淋溶作用，以及動(dòng)植物的遷移運(yùn)動(dòng)，使土壤的水肥蓄積能力有所下降；8期高的原因主要是林相結(jié)構(gòu)相對(duì)合理，而2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)最低是因?yàn)橥翆颖　?/p>

2.3生態(tài)修復(fù)功能的差異及原因

2.3.1林木層功能

林木層功能的好壞由植被生長狀況和生物積蓄與貯碳能力決定，由圖1可知，生態(tài)修復(fù)區(qū)的生物積蓄與貯碳能力的差異導(dǎo)致林木層功能存在差異，總體來看，早期修復(fù)區(qū)林木層功能相對(duì)高些，2期因種植密度過高導(dǎo)致植物的生長環(huán)境變差，而2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)的修復(fù)條件較惡劣，林木層功能低。

2.3.2調(diào)節(jié)氣體功能

由圖2可知，隨時(shí)間推移，生態(tài)修復(fù)區(qū)調(diào)節(jié)氣體功能有所提高，表明在幕府山礦山廢棄地大量種植植物，在調(diào)節(jié)小氣候、固碳釋氧和凈化空氣等方面都有促進(jìn)作用，生態(tài)修復(fù)可讓廢棄地快速恢復(fù)生態(tài)功能。7期生態(tài)修復(fù)區(qū)調(diào)節(jié)氣候功能低的原因在于種植的樹種在優(yōu)化空氣質(zhì)量方面沒優(yōu)勢(shì)。

2.3.3枯落物層功能

枯落物層功能與枯落物蓄積量和有效蓄水量有緊密的關(guān)系，由表3可知，三者的走勢(shì)大體一致。生態(tài)修復(fù)使得修復(fù)區(qū)枯落物蓄積量增多，枯落物的蓄積量和蓄水能力在經(jīng)過生態(tài)修復(fù)后會(huì)有明顯的上升，但若植物密度過高，隨植物長大，過高的密度使植物生境變差，枯落物層的生態(tài)功能反而會(huì)下降。

2.3.4土壤層功能

土壤層功能由土壤質(zhì)量與土壤水肥蓄積能力決定，10個(gè)生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤質(zhì)量差異不大，土壤層功能主要取決于土壤水肥蓄積能力的高低(圖3)，土壤水肥蓄積能力低的修復(fù)區(qū)，土壤層功能相對(duì)也低。

2.4生態(tài)修復(fù)效益的差異及原因

2～4期生態(tài)修復(fù)效益相對(duì)低，5～8期生態(tài)修復(fù)效益相對(duì)高， 9期的生態(tài)修復(fù)效益有所回落，10期生態(tài)修復(fù)效益與1期的生態(tài)修復(fù)效益基本持平，而2個(gè)專項(xiàng)修復(fù)區(qū)因地勢(shì)陡峭，生態(tài)修復(fù)效益最差(圖4)。這說明，生態(tài)修復(fù)初期，由于經(jīng)驗(yàn)不足，覆土厚度相對(duì)較薄，植物種類相對(duì)單一，生態(tài)修復(fù)效益較低，而穩(wěn)定的生態(tài)修復(fù)效益要經(jīng)過相當(dāng)長的時(shí)間才能顯現(xiàn)，理想情況下，隨著時(shí)間的推移，生態(tài)修復(fù)效益應(yīng)不斷上升，越來越好。幕府山生態(tài)修復(fù)成效因修復(fù)區(qū)的地貌、修復(fù)時(shí)覆蓋的土壤類型、選用的植物種類及修復(fù)措施等的不同而產(chǎn)生差異。

圖4　南京幕府山生態(tài)修復(fù)區(qū)生態(tài)修復(fù)效益評(píng)價(jià)結(jié)果

3結(jié)語

用加權(quán)TOPSIS法，可定量評(píng)價(jià)生態(tài)修復(fù)區(qū)各層的生態(tài)修復(fù)效益，并找出其存在差異的原因。該方法具有簡便、易操作、綜合性與可比性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于同一修復(fù)區(qū)域不同生態(tài)修復(fù)階段的縱向評(píng)價(jià)與同一修復(fù)時(shí)期不同修復(fù)區(qū)域之間的橫向比較。

南京幕府山礦山廢棄地實(shí)施生態(tài)修復(fù)的時(shí)間還比較短，生態(tài)修復(fù)效益還有待時(shí)間的積累才能充分顯現(xiàn)，然而評(píng)價(jià)結(jié)果已表明，生態(tài)修復(fù)可顯著改善礦山廢棄地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；10期生態(tài)修復(fù)工程的綜合效益存在差異，主要原因是采礦后形成的地形地貌、修復(fù)時(shí)間的長短、覆蓋的土壤類型、種植的植物種類與植物組合、后期對(duì)修復(fù)植被的撫育管護(hù)措施等有差異。

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(責(zé)任編輯孫占鋒)

[中圖分類號(hào)]X8

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0061-05

[作者簡介]潘葉(1994—)，女，江蘇南京市人，本科生，主要從事資源環(huán)境與房地產(chǎn)開發(fā)的研究；通信作者張燕(1962—)，女，江蘇南京市人，副教授，博士，主要從事資源與環(huán)境的教學(xué)與研究。

[收稿日期]2015-09-25